JP4782058B2 - 高強度軟磁性複合圧密焼成材の製造方法および高強度軟磁性複合圧密焼成材 - Google Patents
高強度軟磁性複合圧密焼成材の製造方法および高強度軟磁性複合圧密焼成材 Download PDFInfo
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Description
一方、化学メッキなどの化学的な方法あるいは塗布法などによりMg含有フェライト膜を被覆したMg含有酸化鉄被覆鉄粉末を低融点ガラス粉末とともに混合してから圧密形成し、熱処理して圧粉磁性材を製造する方法も知られている。(特許文献4参照)
また、ガラス粉末を酸化亜鉛被覆軟磁性金属粒子に添加混合して成形すると、ガラス粉末−酸化亜鉛被膜(絶縁層)の摩擦が発生し、酸化亜鉛被膜が損傷しやすいために、高比抵抗の軟磁性複合圧密焼成材を得ることが難しかった。
即ち、Fe系の軟磁性粉末を予め酸化雰囲気中で加熱することにより軟磁性粉末の表面に酸化鉄の膜を形成した酸化処理軟磁性粉末を作製し、この酸化処理軟磁性粉末にMg粉末を添加し、造粒転動攪拌混合装置で混合して得られた混合粉末を不活性ガス雰囲気または真空雰囲気中において加熱するなどしたのち、更に、必要に応じて酸化性雰囲気中で加熱する酸化処理を施す技術である。この技術によれば、一般に知られているMgO−FeO−Fe2O3系の中で代表される(Mg,Fe)O、(Mg,Fe)3O4などのMg−Fe−O三元系各種酸化物のうちで、少なくとも(Mg,Fe)Oを含むMg−Fe−O三元系酸化物堆積膜が軟磁性粉末粒子の表面に形成されたものを得ることができる。
本発明者らはこの技術に着目し、前述のMg含有酸化物被覆軟磁性粉末を圧密成形して得られる圧密材を研究したところ、本願発明に到達した。
Fe系の軟磁性金属粒子と該軟磁性金属粒子の表面に被覆されたMg含有酸化膜とを具備してなるMg含有酸化物被覆軟磁性粒子と、Siレジン、低融点ガラス、金属酸化物の少なくとも1種とを混合して圧密し、非酸化性雰囲気において焼成処理して軟磁性複合圧密焼成材の前駆体とした後、酸化性雰囲気において400℃〜600℃のスチーム雰囲気または大気中において熱処理することにより、Fe系の軟磁性金属粒子と該軟磁性金属粒子の表面に被覆されたMg含有酸化膜とを具備してなるMg含有酸化物被覆軟磁性粒子を、前記の如く混合したSiレジン、低融点ガラス、金属酸化物の少なくとも1種の成分を含み、Fe 3 O 4 あるいはFeOを主体とする酸化鉄を含む充填物からなる粒界層を介し複数結合してなる焼成体とすることを特徴とする。
(2)上記目的を達成するために本発明の高強度軟磁性複合圧密焼成材の製造方法は、前記Mg含有酸化膜の膜厚を20〜80nmの範囲とし、前記焼成処理を550℃を越える温度〜650℃で行い、前記熱処理を400〜560℃の温度範囲で行うことを特徴とする。
(3)上記目的を達成するために本発明の高強度軟磁性複合圧密焼成材の製造方法は、前記Mg含有酸化物被覆軟磁性粒子間の粒界層に存在する酸化鉄を、前記Fe系の軟磁性金属粒子からFe成分を粒界に析出させて酸化物として分散成長させたものとすることを特徴とする。
(5)上記目的を達成するために本発明の高強度軟磁性複合圧密焼成材の製造方法は、前記非酸化性雰囲気において焼成処理することにより、粒界層にMgとFeを含む(Mg,Fe)Oのウスタイトを生成させ、前記酸化性雰囲気において熱処理することにより前記ウスタイトを含む粒界層を酸化鉄を含むシリコン酸化物を含む充填物とすることを特徴とする。
(6)上記目的を達成するために本発明の高強度軟磁性複合圧密焼成材の製造方法は、前記Fe系の軟磁性金属粒子として、Feに、Si、Al、Ni、Cr、Co、Vのうちの少なくとも1種以上を添加してなるものを用いることを特徴とする。
(7)上記目的を達成するために本発明の高強度軟磁性複合圧密焼成材の製造方法は、 前記金属酸化物として、Al2O3、B2O3、Sb2O3、MoO3のいずれかからなるものを用いることを特徴とする。
(9)上記目的を達成するために本発明の高強度軟磁性複合圧密焼成材は、前記Mg含有酸化膜が20〜80nmの厚さであり、前記焼成処理が550℃を越える温度〜650℃でなされた処理であり、前記熱処理が400〜560℃の温度範囲でなされた処理であることを特徴とする。
(11)上記目的を達成するために本発明の高強度軟磁性複合圧密焼成材は、前記Mg含有酸化膜が(Mg,Fe)Oを主体として構成され、前記低融点ガラスがBi2O3−B2O3、SnO−P2O3、SiO2−B2O3−ZnO、SiO2−B2O3−R2O、Li2O−ZnOのいずれかからなることを特徴とする。
(12)上記目的を達成するために本発明の高強度軟磁性複合圧密焼成材は、前記Mg含有酸化膜が(Mg,Fe)Oを主体として構成され、前記金属酸化物がAl2O3、B2O3、Sb2O3、MoO3のいずれかからなることを特徴とする。
しかも、前記Mg含有酸化物被覆膜は圧密成形後もFe系の軟磁性金属粒子の周囲に確実に存在させることができるので高い比抵抗を得ることができ、渦電流損失の低い軟磁性複合圧密焼成材を得ることができる。
そして、これら電磁気回路部品を組み込んだ電気機器には、電動機、発電機、ソレノイド、インジェクタ、電磁駆動弁、インバータ、コンバータ、変圧器、継電器、磁気センサシステム等があり、これら電気機器の高効率高性能化や小型軽量化を行うことができる効果がある。
この被覆軟磁性金属粒子を得るためには、以下の各種の原料粉末を用い、後述する(A)〜(D)に記載の方法のいずれかを選択して実施すれば良い。
この発明のMg含有酸化物被覆軟磁性金属粒子の製造方法において使用する原料粉末としてのFe系軟磁性金属粒子は、従来から一般に知られている鉄粉末、絶縁処理鉄粉末、Fe−Al系鉄基軟磁性合金粉末、Fe−Ni系鉄基軟磁性合金粉末、Fe−Cr系鉄基軟磁性合金粉末、Fe−Si系鉄基軟磁性合金粉末、Fe−Si−Al系鉄基軟磁性合金粉末、Fe−Co系鉄基軟磁性合金粉末、Fe−Co−V系鉄基軟磁性合金粉末またはFe−P系鉄基軟磁性合金粉末であることが好ましい。
更に具体的には、鉄粉末は純鉄粉末であり、絶縁処理鉄粉末は、リン酸塩被覆鉄粉末、またはシリカのゾルゲル溶液(シリケート)もしくはアルミナのゾルゲル溶液などの湿式溶液を添加し混合して鉄粉末表面に被覆したのち乾燥して焼成した酸化ケイ素もしくは酸化アルミニウム被覆鉄粉末であり、Fe−Al系鉄基軟磁性合金粉末はA1:0.1〜20%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなるFe−Al系鉄基軟磁性合金粉末(例えば、Fe−15%Alからなる組成を有するアルパーム粉末)であることが好ましい。
また、Fe−Si−Al系鉄基軟磁性合金粉末は、Si:0.1〜10%、Al:0.1〜20%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなるFe−Si−Al系鉄基軟磁性合金粉末であり、Fe−C−V系鉄基軟磁性合金粉末は、C:0.1〜52%、V:0.1〜3%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなるFe−Co−V系鉄基軟磁性合金粉末であり、Fe−C系鉄基軟磁性合金粉末は、C:0.1〜52%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなるFe−Co系鉄基軟磁性合金粉末であり、Fe−P系鉄基軟磁性合金粉末は、P:0.5〜1%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなるFe−P系鉄基軟磁性合金粉末(以上、%は質量%を示す)であることが好ましい。
このMg含有酸化物被覆軟磁性粒子は、従来のMgフェライト膜を形成したMg含有酸化物被覆軟磁性粒子に比べて密着性が格段に優れたものとなり、このMg含有酸化物被覆軟磁性粒子をプレス成形して圧粉体を作製しても絶縁被膜が破壊し剥離することが少なく、また、このMg含有酸化物被覆軟磁性粒子の圧粉体を温度:400〜1300℃で焼成して得られた軟磁性複合圧密焼成材は粒界にMg含有酸化膜が均一に分散し、粒界三重点にMg含有酸化膜が集中して分散することのない組織が得られる。
(D)前記軟磁性金属粒子を酸化雰囲気中で室温〜500℃に保持することにより軟磁性金属粒子の表面に鉄の酸化膜を形成した酸化物被覆軟磁性粉末にMg粉末を添加し混合した後または混合しながら真空雰囲気中、温度:400〜800℃保持の条件で加熱すると軟磁性粉末の表面にMg含有酸化膜が形成されたMg含有酸化物被覆軟磁性粉末が得られる。
このMg含有酸化物被覆軟磁性粉末にさらに一酸化ケイ素粉末を添加し混合した後または混合しながら真空雰囲気中、温度:600〜1200℃保持の条件で加熱するすると、軟磁性粉末の表面にMg−Si含有酸化物膜が形成されたMg−Si含有酸化物被覆軟磁性粉末が得られ、この方法で作製したMg−Si含有酸化物被覆軟磁性粉末を用いて作製した複合軟磁性焼結材であれば、従来のSiO2を生成する化合物とMgCOまたはMgOの粉末からなる混合物を圧縮成形し焼結して得られた複合軟磁性焼結材よりも密度、抗折強度、比抵抗およぴ磁束密度が優れさせることができる。
前記一酸化ケイ素粉末の添加量は0.01〜1質量%の範囲内にあることが好ましく、前記Mg粉末の添加量は0.05〜1質量%の範囲内にあることが好ましい。
前記真空雰囲気は、圧力:1×10−12〜1×10−1MPaの真空雰囲気であることが好ましい。
軟磁性金属粒子の酸化処理は、Mgの被覆性を向上させる効果があり、酸化雰囲気中、温度150〜500℃または蒸留水または純水中、温度:50〜100℃に保持することにより行う。この場合、いずれも50℃未満では効率的でなく、一方、酸化雰囲気中で500℃を越えて保持すると焼結が起るために好ましくないからである。酸化雰囲気は乾燥した酸化雰囲気であることが一層好ましい。
以上説明した方法により前述の如く作製したMg含有酸化物被覆軟磁性粒子を使用して軟磁性複合圧密焼成材を製造するには、まず、前述の方法で作製したMg含有酸化物被覆軟磁性粒子に絶縁性の結着材としてのSiレジン、低融点ガラスあるいは金属酸化物のいずれかを混合してから通常の方法で圧粉成形し、不活性ガス雰囲気中、あるいは、非酸化性雰囲気中において焼成して軟磁性複合圧密焼成材の前駆体を製造する。
そして、この焼成後、先の前駆体を後述する如く、スチーム雰囲気、大気などの酸化性雰囲気中において400〜600℃の範囲内の温度で熱処理することにより、本発明で目的とする軟磁性複合圧密焼成材を得ることができる。
Siレジンの添加量は、0.2〜1.5質量%の範囲内とすることができる。
あるいは、先のSiレジンあるいは低融点ガラスに代えて、Mg含有酸化物被覆軟磁性粒子に、酸化アルミニウム、酸化棚素、酸化バナジウム、酸化ビスマス、酸化アンチモンおよび酸化モリブデンの内の1種または2種以上の金属酸化物をB2O3、V2O5、Bi2O3、Sb2O3、MoO3換算で0.05〜1質量%の範囲内で配合し、混合した後に圧粉成形し、得られた圧粉成形体を温度:500〜1000℃で非酸化性雰囲気中において焼成し、軟磁性複合圧密焼成材の前駆体を製造し、その後において酸化性雰囲気中において熱処理することにより軟磁性複合圧密焼成材を作製することができる。また、金属酸化物としてステアリン酸亜鉛を用いることもできる。
先の焼成雰囲気として例えば、窒素ガス雰囲気などの不活性ガス雰囲気、あるいは水素ガス雰囲気などの非酸化性雰囲気を選択することができる。
ここでの酸化性雰囲気における熱処理により、前駆体における(Mg,Fe)Oを含むMg−Fe−O三元系酸化物堆積膜を軟磁性金属粒子の表面に被覆形成した被覆軟磁性金属粒子(粉末)と、それらの界面に存在する(Mg,Fe)Oを含むMg−Fe−O三元系酸化物堆積膜が変成し、軟磁性金属粒子と該軟磁性金属粒子の表面に被覆されたMg含有酸化物とを具備してなるMg含有酸化物被覆軟磁性粒子が、酸化鉄を含むシリコン酸化物(例えば、Fe3O4あるいはFeOを主体とする酸化鉄を含むSiレジンなどのシリコン酸化物)、低融点ガラスの成分を含む酸化物、Mgを含有する鉄酸化物のいずれかを主体とする粒界層を介し複数結合されてなる構造となり、最終的に目的とする軟磁性複合圧密焼成材を得ることができる。
前述のスチーム雰囲気における加熱処理条件として、400℃未満の温度とすると、Fe3O4の形成が促進されず、強度が発現しない問題があり、逆に600℃を越える加熱条件とすると、FeOの形成と分解(4FeO→Fe3O4+Fe)により強度が発現しないおそれがある。
前記Mg含有酸化膜被覆軟磁性粒子を囲む粒界層にあっては、酸化鉄を含むシリコン酸化物(例えば、Fe3O4あるいはFeOを主体とする酸化鉄を含むSiレジンなどのシリコン酸化物)、低融点ガラスの成分を含む酸化物、Mgを含有する鉄酸化物のいずれかを主体とする組織を有する。
なお、前述した如く軟磁性複合圧密焼成材は、複数のMg含有酸化物被覆軟磁性粒子1を圧密し、焼成と熱処理を施して製造されるので、Mg含有酸化物被覆軟磁性粒子1は不定形であり、かつ、その表面の全面にMg含有酸化膜2が形成されていることが望ましいが、圧密と成形の状態によってはMg含有酸化物被覆軟磁性粒子1の表面に部分的にMg含有酸化膜2が形成されていない部位の存在も考えられるが、少なくとも軟磁性複合圧密焼成材全体として見た場合の比抵抗が低下しないように各Mg含有酸化物被覆軟磁性粒子1がMg含有酸化膜2で覆われていることが望ましい。その意味から見ると、図1のように3つのMg含有酸化物被覆軟磁性粒子1が集合している粒界三重点の界面においては粒界層5が他の部分の粒界層5よりも厚いものである場合、あるいは部分的にMg含有酸化膜2の厚さに差異があったり、部分的に被覆不足の部分が生じていたとしても、本発明に係る軟磁性複合圧密焼成材の全体として比抵抗が高ければ差し支えない。
また、以上の製造方法により得られた軟磁性複合圧密焼成材にあっては、(Mg,Fe)Oを含むMg−Fe−O三元系酸化物堆積膜とその界面に存在する低融点ガラスあるいは金属酸化物を酸化雰囲気において焼成することにより、成長させたFe3O4を主体とする酸化鉄を含む低融点ガラスの成分を含む粒界層、または、Fe3O4を主体とする酸化鉄を含む金属酸化物を主体とする粒界層を備えているので、特にMg含有酸化物被覆軟磁性粒子同士の接合が良好になされていて、抗折強度を更に高くすることができ、高強度軟磁性複合圧密焼成材を得ることができる。その上、本製造方法により得られた軟磁性複合圧密焼成材は、高磁束密度で高周波低鉄損の特徴を兼ね備える優れた特徴を有する。
Mg含有酸化物被覆軟磁性粒子の外周面に形成されている(Mg,Fe)Oを含むMg−Fe−O三元系酸化物堆積膜(表1にはMgO膜と略記する)の膜厚を測定した結果を表1に示す。この膜の膜厚は、前述の大気中加熱処理で生成される酸化膜厚に比例するので、MgO膜厚20〜80nmのものを試験試料として用いた。
しかし、焼成処理を大気中、即ち、非酸化性雰囲気ではなく、酸化性雰囲気中において施したNo.13の試料は抗折強度が83であり、向上していない。また、Siレジンを添加していない試料は比抵抗が極めて低い値となった。更に、焼成処理を750℃で行ったNo.16の試料は比抵抗が極めて低い値となった。また、No.6の試料はMgOの膜厚が80nmと厚いために、磁束密度が低下した。
以上の結果から、MgOの膜厚は20〜80nmの範囲内が好ましい。
以上の結果から、熱処理条件は400℃〜560℃の範囲が好ましい。
この図2に示す金属組織上の111位置、112位置、113位置、114位置、115位置、116位置においてエネルギー分散型蛍光X線分析(EDX)を行った。その結果を図3〜図8に示す。
図3に示す111位置の分析結果は軟磁性金属粒子の部分の分析結果、図4に示す112位置の分析結果は軟磁性金属粒子の外周部分の分析結果、図5に示す113位置の分析結果は軟磁性金属粒子の外方のMg含有酸化膜と思われる部分の分析結果、図6に示す114位置の分析結果は軟磁性金属粒子の外方の界面層と思われる部分の分析結果、図7に示す115位置の分析結果は軟磁性金属粒子の外方のMg含有酸化膜と思われる部分の分析結果、図8に示す116位置の分析結果は軟磁性金属粒子の外周部分の分析結果である。
この図9に示す金属組織上の1の位置、2の位置、3の位置、4の位置、5の位置、6の位置においてX線回折分析を行った。その結果を図10〜図15に示す。
図9において1の位置と2の位置は3つのMg含有酸化膜被覆軟磁性粒子の境界となる三粒界点位置の分析結果、3の位置は他の三粒界点位置の分析結果、4の位置と5の位置は2つのMg含有酸化膜被覆軟磁性粒子の境界部分の分析結果、6の位置は3つのMg含有酸化膜被覆軟磁性粒子の境界となる三粒界点に近い位置での分析結果を示す。
なお、図14、図15に示すMnは、鉄粉中の不純物であり、酸素との親和力が大きいので、酸化熱処理中に選択酸化され、鉄粉表面に出てきたものと考えられる。
図16に示す如く軟磁性金属粒子の外周部分にMg含有酸化物膜が30nm〜50nm程度の厚さで存在し、それらの間に同じ程度の幅の薄い境界層が存在している状況を確認することができた。
そして、これら電磁気回路部品を組み込んだ電気機器には、電動機、発電機、ソレノイド、インジェクタ、電磁駆動弁、インバータ、コンバータ、変圧器、継電器、磁気センサシステム等があり、これら電気機器の高効率高性能化や小型軽量化ができる。
2 Mg含有酸化膜、
3 Mg含有酸化物被覆軟磁性粒子、
5 粒界層、
Claims (12)
- Fe系の軟磁性金属粒子と該軟磁性金属粒子の表面に被覆されたMg含有酸化膜とを具備してなるMg含有酸化物被覆軟磁性粒子と、Siレジン、低融点ガラス、金属酸化物の少なくとも1種とを混合して圧密し、
非酸化性雰囲気において焼成処理して軟磁性複合圧密焼成材の前駆体とした後、酸化性雰囲気において400℃〜600℃のスチーム雰囲気または大気中において熱処理することにより、
Fe系の軟磁性金属粒子と該軟磁性金属粒子の表面に被覆されたMg含有酸化膜とを具備してなるMg含有酸化物被覆軟磁性粒子を、前記の如く混合したSiレジン、低融点ガラス、金属酸化物の少なくとも1種の成分を含み、Fe 3 O 4 あるいはFeOを主体とする酸化鉄を含む充填物からなる粒界層を介し複数結合してなる焼成体とすることを特徴とする高強度軟磁性複合圧密焼成材の製造方法。 - 前記Mg含有酸化膜の膜厚を20〜80nmの範囲とし、前記焼成処理を550℃を越える温度〜650℃で行い、前記熱処理を400〜560℃の温度範囲で行うことを特徴とする請求項1に記載の高強度軟磁性複合圧密焼成材の製造方法。
- 前記Mg含有酸化物被覆軟磁性粒子間の粒界層に存在する酸化鉄を、前記Fe系の軟磁性金属粒子からFe成分を粒界に析出させて酸化物として分散成長させたものとすることを特徴とする請求項1または2に記載の高強度軟磁性複合圧密焼成材の製造方法。
- 前記非酸化性雰囲気として、窒素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気などの不活性ガス雰囲気、あるいは水素ガス雰囲気とすることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の高強度軟磁性複合圧密焼成材の製造方法。
- 前記非酸化性雰囲気において焼成処理することにより、粒界層にMgとFeを含む(Mg,Fe)Oのウスタイトを生成させ、前記酸化性雰囲気において熱処理することにより前記ウスタイトを含む粒界層を酸化鉄を含むシリコン酸化物を含む充填物とすることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の高強度軟磁性複合圧密焼成材の製造方法。
- 前記Fe系の軟磁性金属粒子として、Feに、Si、Al、Ni、Cr、Co、Vのうちの少なくとも1種以上を添加してなるものを用いることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の高強度軟磁性複合圧密焼成材の製造方法。
- 前記金属酸化物として、Al2O3、B2O3、Sb2O3、MoO3のいずれかからなるものを用いることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の高強度軟磁性複合圧密焼成材の製造方法。
- Fe系の軟磁性金属粒子と該軟磁性金属粒子の表面に被覆されたMg含有酸化膜とを具備してなるMg含有酸化物被覆軟磁性粒子が、Siレジン、低融点ガラスまたは金属酸化物との圧密焼成物に酸化鉄を分散させた粒界層を介し複数結合されてなり、
前記酸化鉄がFe 3 O 4 あるいはFeOを主体とするものであって、前記Siレジン、低融点ガラスまたは金属酸化物との混合圧密後の非酸化性雰囲気中における焼成処理と、その後の酸化性雰囲気中における熱処理によりFe系の軟磁性金属粒子から焼成物に分散され成長されたものであることを特徴とする高強度軟磁性複合圧密焼成材。 - 前記Mg含有酸化膜が20〜80nmの厚さであり、前記焼成処理が550℃を越える温度〜650℃でなされた処理であり、前記熱処理が400〜560℃の温度範囲でなされた処理であることを特徴とする請求項8に記載の高強度軟磁性複合圧密焼成材。
- 前記Fe系の軟磁性金属粒子が、Feに、Si、Al、Ni、Cr、Co、Vのうちの少なくとも1種以上を添加してなる組成系とされてなることを特徴とする請求項8または9に記載の高強度軟磁性複合圧密焼成材。
- 前記Mg含有酸化膜が(Mg,Fe)Oを主体として構成され、前記低融点ガラスがBi2O3−B2O3、SnO−P2O3、SiO2−B2O3−ZnO、SiO2−B2O3−R2O、Li2O−ZnOのいずれかからなることを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載の高強度軟磁性複合圧密焼成材。
- 前記Mg含有酸化膜が(Mg,Fe)Oを主体として構成され、前記金属酸化物がAl2O3、B2O3、Sb2O3、MoO3のいずれかからなることを特徴とする請求項8〜11のいずれかに記載の高強度軟磁性複合圧密焼成材。
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